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使用HDMI开关为显示器增加多个数字输入端口

导读: 市场对高分辨率显示器的需求不断增长。据消费电子协会(CEA)指出,2005年年底有13% 的美国家庭都拥有数字电视。而到2008年,这个数字会增加到65%。CEA最近一次的调查则指出,有71% 的家庭表明他们下一个购买的电视将具备数字有线功能。

                                          作者:Fairchild(快捷半导体高级应用工程师)

新一代显示器需求多个HDMI输入端子

        市场对高分辨率显示器的需求不断增长。据消费电子协会(CEA)指出,2005年年底有13% 的美国家庭都拥有数字电视。而到2008年,这个数字会增加到65%。CEA最近一次的调查则指出,有71% 的家庭表明他们下一个购买的电视将具备数字有线功能。

        目前商店里大多数的高画质电视(HDTV)都具有高分辨率模拟高分辨率分量视频输入YPbPr输入端子,以及单一的高分辨率数字输入端子,如DVI或 HDMI。现在,利用带有HDMI输出端子的机上盒(STB),许多消费者都能够接收有线电视公司的数字高解析节目内容。在这种应用中,许多高分辨率显示器中已有单个HDMI输入端子,因此没有空间再放置其它HDMI数据源。微软(Microsoft)和索尼(Sony)的下一代游戏机都具有HDMI输出,让玩家能尽情享受全数字化的高解析体验。预期到明年,高分辨率DVD标准的大战将偃旗息鼓,迫使市场快速采用具有HDMI输出的高分辨率DVD播放器。

        上述市场趋势在在透露出显示器必须拥有多个HDMI输入端子。显示器设计人员意识到家用数字设备即将出现迅猛增长,因此正在下一个高分辨率显示器产品中增加更多的数字输入端口。虽然设计人员能够利用更昂贵的HDMI接收器芯片来满足这个需要,但许多都仍然选择保留现有的单输入HDMI接收器,并使用HDMI / DVI开关来进行转换,因为这个抉择能提供最短的设计周期,以及最低的系统成本,而更低的系统成本也将直接驱动HDTV快速普及。

         本文将讨论使用HDMI开关在现有数字电视设计上增加多个数字HDMI / DVI输入端口的优点,同时解释HDMI 和 DVI之间的区别,以及HDMI 和 DVI 视频共享的一些关键规格和参数。此外,本文也将以快捷半导体的相关组件为例,提供相关设计指引。
 
系统应用

         HDMI开关能够复制使用现时已具备单HDMI输入端子的设计,因此有助于简化设计和降低系统成本。首批受益的应用包括各种格式的高分辨率视频显示器、CRT、LCDDLP和电浆(PDP)平面显示器等。无需使用更新更昂贵的双重输入接收器,只是增加第二个埠,HDMI开关就可以对现有已采用单HDMI输入端子的设计迅速进行升级。

         以FSHDMI04 这类HDMI开关为例,只需简单地插入到选定的HDMI接收器和两个HDMI连接器之间即可。若针对一个完整的解决方案,还需要切换较高电压及较低频率的控制信号,建议使用一个至少165MHz的简单5V 方型 SPDT开关,例如FSAL200 或 FSAV330。这些控制信号用于接收器(Sink) 和数据源(Source) 之间的首次交换,而数据源以此来决定接收器能够处理什么样的视频分辨率,只需要FSHMDI04加上第二个用于控制数据的开关,即可在单输入设计上完全实现第二个HDMI输入埠。

          
  
          这种配置能让用户将数字机上盒(STB) 、游戏平台或未来具HDMI功能的高分辨率DVD播放机连接到其显示器上。利用标准的单输入显示器,用户必须拔去STB才可通过HDMI线缆播放电影或视频游戏。对此,用户还可采用另一种方案,利用HDMI线缆保留STB的连接,并使用模拟高分辨率分量视频输入(YPbPr)连接DVD播放机或游戏机。虽然这种方法可以提供高分辨率节目内容,但却需要在模拟和数字格式之间进行两次转换,因此其终端质量会较HDMI提供的纯数字连接低。

          笔记型计算机也是未来将采用HDMI开关的主要应用之一。现在,许多笔记型计算机都具有适用于现有DVD的标准分辨率S视频输出端子,但由于预期高分辨率DVD标准将会很快获得接纳,加上新一代游戏机将适用于高分辨率游戏,下一代笔记型计算机和坞站(Docking Station)转向HDMI输出是很自然的事。在这类应用中,HDMI开关应容许笔记型计算机和坞站外接HDMI连接器,当笔记型计算机插接或未插接时便可以自动进行切换,这能让拥有高分辨率DVD驱动器的笔记型计算机用户,能够在其数字HDTV或数字显示器上观看高分辨率电影。
 
HDMI和DVI概述

HDMI和 DVI两者主要异同之处概述如下:

■HDMI
            HDMI是两者之中较新的一种格式,建基于旧式的DVI规范。DVI只能处理视频数据,HDMI 却可包含音频及视频数据,并通过称为高分辨率内容保护(HDCP) 的数字加密协议形式提供更强的内容保护功能。由于HDMI连接涵盖视频和音频数据,因此可在数据源和接收器之间实现单一连接。两种格式都遵循相同的电子规范,所以,像FSHDMI04等无源视频开关便不能区分出HDMI或DVI信号。这种共享的电子格式称为最小化转换差分信号(Transition Minimized Differential Signaling;TMDS),在每一链路中使用了由3个数据对与1个频率对组成的4个差分对。HDMI在两种基本数字配置之一(即单链或双链路) 传输数据。任一给定链路的最大频宽是4.95Gbps(3 个TMDS 信道并行传输,每个信道的信号传输率为1.65Gbps),相对于最大的频率频率为165 MHz。

            数据和频率频率不同的原因在于数据以称作像素的10位数据包发送。对分辨率要求低于每秒165万像素的视频显示器而言,单一链路连接已经足够;假若清晰度要求在每秒165万和350万像素之间,可使用第二条链路并行发送数据。由于两条链路共享一个频率对,因此最大的频率频率始终为165 MHz。图2显示了基本的双链路架构,并可供单链路或双链路连接使用。

           
 
■DVI
        DVI是市场上第一个标准化的纯数字视频连接。与HDMI一样,它对单或双链路配置的需求取决于所选的显示器分辨率,以及显示器类型和相应的更新频率。DVI端子在计算机应用中仍然相当普及,许多系统都具有DVI输出以便实现至数字 LCD 显示器的直接数字连接。举例说,一个更新频率为60Hz的高分辨率 LCD显示器(1920x1080)可利用单链路DVI和约130MHz的频率频率连接。这可参考图3 的DVI规格参考。

               
 
HDMI / DVI应用挑战和关键规范
         HDMI 和 DVI的数据速率都非常高,并允许传输未经压缩的数字视频。在单链路HDMI连接中,每TMDS对将以高达1.65Gbps的速率传输数据,较高速USB快三倍。因此当利用高速数据传输协议进行设计时,新的应用挑战纷纷出现。例如以前微不足道的杂散电容、线载和信号失配,都可能导致误码率增加,甚至造成发射或接收数据的失效。此外,HDMI和DVI规范的编写者从不会设想在发射器和接收器之间的信号路径中插入无源的高频低损耗开关,当仔细阅读HDMI 和 DVI的规范时,便可明显发现这一点,因为在电子规范中几乎没有什么变化余地留给附加的非理想型开关器件。因此,HDMI 和 DVI高性能开关生产商必须针对应用的特定需求谨慎制定其产品,否则将不能在系统中正常运作。以下是一些关键的功能特性,以判断开关能否在高速环境下工作。

■导通电容相对导通阻抗的权衡
        开关的导通电容是判断开关对TMDS数据流影响的最重要因素。过大的开关电容会导致弧形边缘,造成较慢的上升和下降速度,致使系统的抖动增加,使相应的误码率提高。

         通道的电容失配对HDMI 和 DVI规范的影响至巨,使得要满足非常严苛的偏移规范难上加难。例如,当以最高速率传输数据时,差分对内延迟差不能超过0.15Tbit,亦即不能大于90ps。HDMI / DVI开关设计人员必须面对的一个设计权衡问题,在于导通电容和导通阻抗之间,低导通电容和高频宽性能需要付出增加导通阻抗的代价,这个权衡问题无法避免,也正是HDMI / DVI开关必须针对有关应用进行设计的基本原因之一。

         许多设计人员都很熟悉电压驱动应用,并因此很自然地设想导通阻抗是开关选择中最重要的规格。这种设想出于在电压源应用中,导通阻抗往往会引起插损和信号衰减。但幸运地,HDMI 和 DVI信号并没有这个问题,因为它们使用具有终端电阻的电流源来建立信号电平。图4所示为如何建立TMDS信号的基本原理图。

        
  
         当知道TMDS信号的典型信号范围为AVCC 到 AVCC-0.5V,就能够得出结论,电流源将设置为通过50奥姆的偏置电阻(RT) 提供10mA 电流,以建立接收器输入电压。由于TMDS传输线是由电流驱动,开关上的插入损耗要比电压驱动应用少得多。利用恒定的10mA电流源,不论电阻上的电压降为多少,都能在接收器输入端提供正确的电压;由于没有理想的电流源,故需记住导通阻抗的开关不应该过大。

         综上所述,HDMI / DVI开关的导通电容应该很小。当面对导通电容和导通阻抗的权衡问题时,应当选择较低的导通电容,因为导通电容对系统性能的影响相对较大。

■频宽
         第二个重要的开关特性是频宽。要以最大的速率传输数据,HDMI / DVI开关就必须具有至少825MHz的频宽。这个数字的依据是基于已知数据以1.65Gbps的速率传输,并同时在上升和下降沿被触发。由此得知,在0 到 825MHz的频率范围上,开关的信号损耗不得大于3dB。

         当传输最高视频分辨率信号时,没有这种性能的开关会使数据流急剧衰减,从而导致HDMI 或 DVI接收器无法对数据进行恢复。此外,较窄的频宽会缩短系统可接受的缆线长度,使到最终设计对于消费者的吸引力大减。基于这些原因,HDMI / DVI开关至少应该具有825MHz的频宽。

■阻抗匹配以减少反射
         最后,必须考虑阻抗匹配以及在高速数据线路上增加开关对于信号反射产生的影响。虽然HDMI / DVI开关不可能完美地匹配传输线的线阻抗,但是这些开关仍可通过设计使信号反射减至最小。透过选择具有低导通电容和导通阻抗的HDMI开关,便可以将总系统反射降至最小。

         在信号反射方面,最好选择较低的导通电容和较高的导通阻抗,这会造成开关输入端的电压驻波比(VSWR) 具有较大的幅值,有助于补偿稍高的导通阻抗导致的任何损耗,并同时增加眼图波罩余量(Eye Mask Margin)。
 
总结
          HDMI是消费视频市场的下一个焦点,有机会像USB一样在数字数据传输领域中广泛普及。透彻理解导通电容、导通阻抗和频宽的重要权衡取舍,方能设计出充分发挥HDMI所有长处的系统;当为系统增加多个 HDMI 连接器时,HDMI开关可以大幅降低设计复杂性并减少系统成本。

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